Cell,Res點評尹長城教授新成果：如何打開RyRs

2016年09月12日訊 蘭尼堿受體（Ryanodine Receptors）是內(nèi)質網(wǎng)和肌質網(wǎng)（Sarcoplasmic Reticulum）釋放鈣離子的大型離子通道，這個過程是肌肉收縮的先決條件。近期冷凍電子顯微鏡提供的數(shù)據(jù)幫助科學家們直接觀察到了這些巨大膜蛋白的變構運動。

9月Cell Research雜志封面公布了北京大學基礎醫(yī)學院尹長城（Chang-Cheng Yin）教授和中科院生物物理研究所孫飛（Fei Sun）研究員合作的最新成果：利用冷凍電鏡獲得了鈣離子激活的RyR1開放態(tài)結構，總體分辨率達到4.9，核心區(qū)域分辨率達到4.2，并通過比對關閉和開放狀態(tài)下的區(qū)別，揭示了鈣離子如何通過長程變構“激活”RyR1的機制。

同期Cell Research雜志也邀請了國際RyR領域結構生物學專家Filip Van Petegem發(fā)表評述文章“How to open a Ryanodine Receptor”。Van Petegem教授曾在2010年詳細描述了RyR1一個熱區(qū)的結構，并對突變引起受體失常，快速釋放鈣離子的機制進行了推測。

人類基因組編碼三種RyRs亞型，相對分子量均超過2.2 MDa，由超過5000個氨基酸的殘基單體聚合形成。RyR1是原發(fā)骨骼肌亞型，其上百種突變與肌中央軸空?。╟entral core disease，CCD），以及惡性高熱（Malignant hyperthermia，MH）病相關。RyR2主要出現(xiàn)在心臟中，與壓力誘導的心律不齊有關。

由于RyRs通道龐大，因此一直被認為是冷凍電鏡cryo-EM研究的理想材料。并且隨著這一技術的不斷進步，科學家獲得了分辨率為6.1?-3.8關閉狀態(tài)的三種RyR1受體，構建出了70% 的RyR1結構。

從整體上說，RyRs由N末端結構域，SPRY結構域，P1和P2結構域，橋接solenoid以及中央solenoid組成，通道部分則包含S1-S6跨膜段，類電壓感受器，和CTD等亞結構，因此具有6次跨膜電壓門控離子通道超家族的結構特點。RyR是獨特之處在于大型α 螺旋多個部位構成的一個巨大胞漿帽，其中穿插了大量的球狀結構域。

Van Petegem指出，2009年，Samso等人以10 ? 的分辨率比對了開放和關閉狀態(tài)的RyR1，為北大尹教授與同期Cell Research雜志上公布的清華顏寧教授的研究奠定了基礎，這兩個研究組得出了相似的RyR1跨膜區(qū)域中變構結論，也提出了不同的關于胞漿帽作用的觀點。

RyR1受胞漿Ca2+激活打開過程呈鐘形曲線，先是小幅增長促進通道開放，然后大開口打開，引發(fā)抑制作用。清華大學的研究組采用的是50μM Ca2+和 10μM 的PCB95，得到了開放狀態(tài)的RyR1的冷凍電鏡結構，但卻發(fā)現(xiàn)中心區(qū)域卻是關閉的，之前他們又將Tween-20 換成了CHAPS y，得到了5.7 ?的開放RyR1結構。

北京大學的尹教授研究組采取了不同的策略，采用的是100 μM Ca2+ 和一種能進一步穩(wěn)定開放狀態(tài)的封閉劑釕紅。這樣結合之前的開放狀態(tài)結構，和10mM Ca2+濃度下8.5 ?關閉狀態(tài)的結構，進行多個結構的比對。

6次跨膜離子通道都會出現(xiàn)成孔結構域（pore-forming domain）中的開放變構，內(nèi)螺旋S6會在保守的甘氨酸周圍彎曲，引起疏水收縮點附近的孔隙變寬，這樣Ca2+就能滲透進來。這些移動變化直接偶聯(lián)VSL結構域和S6，內(nèi)螺旋也比一般6-TM通道要長，延伸到了能與上游U-motif接觸到的鋅指結構。這就為RyR開放提供了兩條途徑：延伸S6螺旋，配合U-motif，或VSL的移動，尹教授研究組詳細描述了其中的細節(jié)變化，比如選擇性濾器的變寬，S4區(qū)域向lumen的移動。

那么這些變構運動源自哪里呢？尹教授研究組猜測是EF-hand結構域，因為之前曾有報道發(fā)現(xiàn)這一結構域的突變會影響Ca2 + 感應靈敏性。另外近期的研究也表明刪除整個EF-hand結構域，并不會影響RyR2 的Ca2+ 釋放過程，這表明EF-hand亞結構域并不是主要的Ca2+ 感應器。但尹教授研究組發(fā)現(xiàn)在第一個EF-hand中會出現(xiàn)構象變化：其螺旋之間有33度的傾斜變化。

Van Petegem點評道，這些新的研究是解開RyR謎題的一大飛躍，下一步還需要研究其它影響門控的配基和蛋白的復合物結構，其中最令人感興趣的是Cav1.1，即與RyR1有重要關聯(lián)的骨骼肌電壓門控鈣通道。

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